军用嵌入式仿真技术的体系结构研究

摘要：基于目前军事装备研发与训练中对临时性模拟过程的需求，采用了技术融合的方法，将嵌入式技术和仿真技术整合，将仿真作为最终目的，将嵌入式技术作为其实现形式，研究了军用嵌入式仿真技术的体系结构。结合理论推演和相关技术的探讨，论证嵌入式仿真技术应用的可行性。并最终提出实现嵌入式仿真技术的解决方案，满足了军事装备研发与训练中对临时性模拟过程的需求，填补了其基础理论的空白。
关键词：电路与系统；体系结构；综述；仿真

    嵌入式仿真技术由嵌入式技术和虚拟仿真技术整合而成，以仿真技术为主要功能，以嵌入式技术为实现形式。
    仿真技术模拟环境和状态对用户产生的影响；同时允许用户对仿真产生动作，将动作效果反馈给用户。仿真技术必须依靠有效的体系结构，不同级别的仿真系统体系结构也不同。战役或战术级别的仿真技术需要随装备或部(分)队行动，因此该级别的仿真技术正在向小型化、可编程化和模块化发展。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统的对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
    嵌入式仿真技术是将仿真技术的核心软件植入嵌入式系统，依靠嵌入式系统的运算处理能力、探测控制能力、通信能力和存储能力完成仿真过程。

1 军用嵌入式仿真技术基本理论体系
1．1 嵌入式仿真技术基本功能
    军用仿真技术研究两个方面：武器装备仿真和作战仿真。仿真技术将部队实装研究与训练、演习、作战推演转化成由计算机虚拟完成的逼真过程，以减少周期和资源投入，其可重复使用的特点又方便了装备或作战研究。嵌入式仿真是在实现仿真功能基础上，进一步实现小型化、可编程化和模块化。
1．2 嵌入式仿真技术功能实现
    嵌入式仿真技术3个要素是系统(被仿真对象)、系统模型和嵌入式设备。联系这3个要素的基本活动是模型建立、仿真方案生成和仿真试验，辅以验证、分析和反馈。

1．2．1 建立模型和仿真方案生成
    仿真技术建模方法包括机理建模方法、系统辨识建模方法、多分辨率建模方法、面向对象建模方法、多视图建模方法、数据可视化建模方法、多媒体建模方法、面向组件建模方法和面向服务建模方法等。模型是嵌入式仿真技术的基础，模型是否准确地描述了被仿真对象，是结果是否可信的前提。因此要进行模型验证，包括可信性验证和一致性验证，以检查模型是否正确地描述了实际系统，以及模型输出是否充
分接近实际系统的行为。
1．2．2 仿真实验
    仿真实验是嵌入式设备依据系统模型和仿真方案，自动计算并给出虚拟环境和虚拟状态供用户动作的过程，这是由嵌入式设备硬件和软件共同完成的过程。仿真实验以自动控制技术为理论体系，以虚拟环境和状态的瞬态变化为激励，以用户动作为响应，再以该动作对虚拟环境和状态产生的效果的反作用为反馈，整个过程是闭环控制过程，可归纳为如下数学模型
   
    G为虚拟环境或状态，Gb为仿真结果，H为系统处理过程，s为时间。如过程中存在用户先于环境状态反馈的动作，则应增加前环反馈，模型与上式基本相同，但H(S)应展开为
   
    其中Gr(s)、Gp(s)和Gc(s)定性地代表仿真过程中增加前环反馈后可能存在的处理过程。 [p]
1．3 嵌入式仿真技术系统组成
    嵌入式仿真技术的理论体系包括嵌入式物理效应设备、嵌入式仿真支撑平台、基础软件系统和模拟仿真系统。
    嵌入式物理效应设备有软件控制，在虚拟环境和虚拟状态中生成逼真的物理效应。仿真支撑平台融合多种技术，包括仿真系统总体技术、建模／仿真试验／评估工具引擎技术、VR／可视化技术、集成框架／平台技术、中间件技术、网络／通信技术、数据库／模型库／知识库／内容管理等，为仿真过程提供处理、存储、控制和通信能力。基础软件系统类似于计算机操作系统，为应用软件提供必要保障。
    模拟仿真系统完成仿真的核心过程，它是基于数据库建立起来的算法，必须囊括被仿真系统模型的所有信息，这些信息经过算法调用生成虚拟环境和状态。接收用户反馈后给出效果，并通过物理效应设备输出效果。模拟仿真系统进行仿真的基本方法有数据查询和实时演算。数据查询是根据反馈在数据库中查找对应数据，是经验式仿真，速度快，应变能力差。实时演算是将反馈信息引入算法，直接计算，是推演式仿真，应变能力强，速度相对慢。这两种方法往往综合运用。

2 军用嵌入式仿真应用系统硬件结构
2．1 应用系统硬件基本结构
    嵌入式仿真应用系统的硬件系统是其理论体系中硬件体系的具体化和产品化，同时以实有硬件的具体功能性能为依据。完整的嵌入式仿真应用系统硬件结构应如图2所示。

2．2 硬件系统数据采集模块
    数据采集模块是嵌入式仿真过程的关键，虚拟环境和状态的信息必须能够被感知，才能引起用户反应；用户动作也必须被感知才能判断效果。数据采集模块由传感器和人机交互器件组成。传感器探测各种状态变化，转化为预处理信号；交互器件直接采集用户动作，理解为用户对某种环境或状态的反应。
2．3 硬件系统计算和存储模块
    计算和存储模块在嵌入式仿真应用系统中起着控制整个系统、存储各类数据的作用。存储模块中的数据和程序与微处理器交互，经过协调分别完成对应功能。可采用的结构包括8086体系结构、ARM体系结构、DSPs器件结构和FPGA
器件结构。
2．4 硬件系统接口与通信模块
    接口与通信模块完成数据和程序的传输。嵌入式仿真应用系统要求与实装无损连接，通信结构要求具备易拆装特点和三通特点，即在不切断原有链路基础上接入分支链路，需增加信号能量补偿。
    嵌入式仿真应用系统需要与上下级系统通信。通信可采用各种适当的协议，并适当添加加密模块。 [p]
2．5 硬件系统效果输出组件
    效果输出组件是嵌入式仿真应用系统区别于其他嵌入式应用系统之处。仿真系统产生的效果。效果输出组件包括硬件和软件，其硬件即为嵌入式仿真技术基本理论体系中的物理效应设备，软件为基础软件和模拟仿真系统在本地的分支或子程序。效果输出组件受模拟仿真系统控制，以模拟仿真系统提供的顺态状态或动作为触发。

3 军用嵌入式仿真应用系统软件结构
3．1 应用系统软件基本结构
    嵌入式仿真应用系统的软件系统是其理论体系中软件体系的具体化和产品化，是嵌入式仿真实现其功能的指挥和指导。完整的嵌入式仿真应用系统软件结构应如图3所示。

3．2 软件系统仿真功能
    虚拟环境通常指实装或想定的环境，仿真过程是顺序结构，采用数据查询方法。这种结构是“给出环境——等待用户动作——作出反馈”，适合离散仿真。嵌入式系统由于受硬件资源限制，比较适合采用这种触发式软件。因此虚拟环境仿真的嵌入式化就是软件的精简化。
    虚拟状态通常指过程进行到一定程度时系统所处的状态。这些信息往往没有经验准备，在真实情况下即根据各种影响连续变化，且后一状态由前一状态和当时动作共同决定，因此需要这些量的变化模型，针对它们的仿真属于连续仿真。这种仿真是循环结构，即实时查询用户是否有动作，将动作数据引入算法计算。这种仿真模式占用资源多，进行嵌入式化时必须增加资源释放功能。
3．3 软件系统运算处理功能
    处理功能包括环境状态处理和图像处理。嵌入式仿真软件对环境状态的处理即对采集的物理量的处理。处理量大，加之嵌入式硬件资源限制，因此仿真软件的处理功能采用优化算法，如插值法、FFT等。图像处理是嵌入式仿真软件必备功能，因为视觉仿真是最基本的仿真。图像处理内容包括自然变化、用户动作效果、虚拟状态反馈等，需要占用大量资源，嵌入式仿真系统必须考虑到资源限制。采用二维和三维交叉结构，在不需要三维效果时进行二维处理，节省资源。处理位置上采用本地处理和远程处理甚至云处理。
3．4 软件系统控制功能
    控制功能是仿真软件通过嵌入式处理器协调系统运行的能力。实现控制功能的程序属于基本软件系统中一部分，采集仿真过程的中断，决定是否响应，与系统本身直接相关。其控制领域包括系统资源分配、硬件动作、物理效应输出等。
3．5 软件系统通信功能
    软件的通信功能与硬件的通信模块相结合工作，完成系统通信工作。实现通信功能的程序必须具备如下过程：有接口驱动，调用通信接口；合适的编解码算法，信息准备；加密算法，对编码加密；完整的通信协议，预留充足的字段；加密后编码，开始通信。以上是发送结构，接收结构与之相反。

4 结束语
    嵌入式仿真技术是将仿真技术小型化、可编程化和模块化后以嵌入式系统的形式嵌入实际系统的一种技术。嵌入式仿真技术的体系结构复杂，综合了多学科技术，以仿真技术为核心，以嵌入式技术为保障，互相融合、交互组织，形成一个完整的体系结构。充分掌握其体系结构可指导嵌入式仿真技术的研发和应用。相应级别的军事装备研发、训练和行动推演都可依靠嵌入式仿真技术提高效果，减少资源消耗，深
入了解军用嵌入式仿真技术体系结构具有重要的现实意义。